基于立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控技術(shù)的復(fù)雜接頭類零件的高效加工工藝研究

曹文軍 杜成立 高 濤

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610091)

接頭類零件一般尺寸不大，帶有減輕槽，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)航空制造領(lǐng)域?qū)τ诖祟惲慵募庸ざ鄦渭兪褂门P式或立式數(shù)控機(jī)床，存在裝夾復(fù)雜、人工干預(yù)多、工藝狀態(tài)不穩(wěn)定、加工周期長(zhǎng)等工藝技術(shù)難點(diǎn)，造成了此類零件的加工成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定，亟需一種高效的加工工藝解決這一問題。

立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控機(jī)床是近年來數(shù)控行業(yè)發(fā)展較快的一種高效應(yīng)用機(jī)床。其應(yīng)用特點(diǎn)是通過機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換，能在同一工位實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的立式和臥式兩種截然不同的加工方式，實(shí)現(xiàn)了從三軸到五軸聯(lián)動(dòng)的鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、銑等復(fù)合加工方式，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的五面體多軸聯(lián)動(dòng)加工，使工件加工精度、加工效率、工件質(zhì)量均得到大幅提升。本文采用五坐標(biāo)立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床成功解決了復(fù)雜接頭類零件數(shù)控加工的難題，通過改進(jìn)加工工藝能夠很好地實(shí)現(xiàn)接頭類零件的加工，同時(shí)降低加工成本，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 復(fù)雜接頭零件結(jié)構(gòu)及加工特點(diǎn)

1.1 裝配配合面多，加工精度要求高

航空結(jié)構(gòu)件中接頭類零件一般都是重要連接件，具有與多個(gè)零件協(xié)調(diào)裝配的特點(diǎn)，這些裝配面制造精度要求非常高，公差帶多在0.2 mm以內(nèi)，特別是具有交點(diǎn)孔的接頭零件，對(duì)于孔位、孔徑及裝配協(xié)調(diào)尺寸要求更高，這些對(duì)加工機(jī)床的精度要求比較顯著。

1.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)面多

作為連接件，接頭類零件不同于一般結(jié)構(gòu)件，在設(shè)計(jì)上常伴有5面或6面都具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)，對(duì)于工藝路線的安排要求非常高。且由于其加工面多，在單純使用臥式或立式數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的情況下常常需要對(duì)工件毛坯進(jìn)行多次裝夾，對(duì)于工件的定位和找正要求高，操作中存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品加工受人為因素影響較大，不利于保證工件質(zhì)量和提高生產(chǎn)的效率。

1.3 具有橫向尺寸小、縱向尺寸大的深槽腔

橫縱比小的深槽腔是比較典型的接頭零件結(jié)構(gòu)，數(shù)控加工中需要選用長(zhǎng)徑比大的刀具，加工部分零件槽腔所需刀具的長(zhǎng)徑比已經(jīng)達(dá)到10:1，因此要求所使用的機(jī)床具有比較大的輸出功率和扭矩。如圖1所示為典型接頭類零件。

基于接頭類零件的這些特點(diǎn)，在加工時(shí)就需要制定合理的工藝方案，如機(jī)床的選擇、工藝路線的制定、毛坯的裝夾方式、數(shù)控程序的設(shè)計(jì)等，要求在合理利用機(jī)床性能的基礎(chǔ)上達(dá)到使裝夾毛坯可靠穩(wěn)定、找正迅速精準(zhǔn)、多工位加工復(fù)合化，最終減少占用機(jī)床的輔助時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)此類零件的高效加工。

2 運(yùn)用立臥轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高效加工

2.1 立臥轉(zhuǎn)換加工設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床多為五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，典型的立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床坐標(biāo)軸除包含X、Y、Z三個(gè)線性移動(dòng)軸外，還包含一個(gè)擺動(dòng)頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。擺動(dòng)頭的擺動(dòng)范圍較大，擺動(dòng)行程(角度)范圍一般在120°～180°之間，可實(shí)現(xiàn)立臥加工方式的轉(zhuǎn)換。在臥式加工時(shí)其主軸軸線為水平方向，立式加工時(shí)其主軸軸線為鉛直方向。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可繞某一坐標(biāo)軸做連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)頭與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的配合使用即可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工，這對(duì)復(fù)雜多面體的復(fù)合加工應(yīng)用非常有效。立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控機(jī)床這種結(jié)構(gòu)上的特殊性，決定了該型機(jī)床具備了很強(qiáng)的加工能力和銑削功能。

2.2 立臥轉(zhuǎn)換加工方案

按照傳統(tǒng)加工工藝，復(fù)雜接頭類零件可采用三坐標(biāo)、四坐標(biāo)或立式五坐標(biāo)機(jī)床結(jié)合完成工件數(shù)控加工。一般情況下，工件加工過程中需要多次翻面并改變裝夾方式，由此帶來的找正及裝夾定位的累積誤差常常影響到工件的加工合格率，并且繁多的工序安排使工件周轉(zhuǎn)時(shí)間變得冗長(zhǎng)，不能滿足后續(xù)工序進(jìn)度要求。

根據(jù)立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以對(duì)圖1中的接頭工件的加工方案制定如下:

(1)工藝路線安排

根據(jù)立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備A擺角運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)合轉(zhuǎn)盤，經(jīng)分析此工件采用一面兩孔定位、除底面外其余5面可以安排在一次裝夾下完成所有數(shù)控機(jī)加內(nèi)容，這樣工件主體加工可以在兩道工序內(nèi)完成，特別是有高精度要求的交點(diǎn)孔可以一次加工完成，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量非常有益。具體工藝路線安排如圖2所示。

(2)裝夾定位

為了發(fā)揮立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝夾具，應(yīng)該將工件墊高，在保證機(jī)床運(yùn)行安全的同時(shí)，增大工件加工范圍。工件采用兩孔一面的方式裝夾定位，并在工件中心預(yù)锪孔，使用內(nèi)六方螺栓輔助壓緊工件。這樣，僅需要一套工裝夾具就可以完成該工件的所有數(shù)控工序加工。

(3)程序編制

由于工件需要進(jìn)行多面加工，在非切削狀態(tài)下B擺角或是A擺角將大范圍聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換，此時(shí)機(jī)床擺角變換時(shí)主軸不是圍繞在一個(gè)點(diǎn)上變換，而是X軸和轉(zhuǎn)盤聯(lián)動(dòng)(B擺角變換)、Z軸和轉(zhuǎn)盤聯(lián)動(dòng)(A擺角變換)多個(gè)軸同時(shí)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行，這樣就造成機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡非常復(fù)雜。為了提高加工過程中的機(jī)床運(yùn)行安全性，在編制程序時(shí)必須注意:預(yù)先設(shè)置刀具擺角變換點(diǎn)，以避免擺角時(shí)發(fā)生碰撞。如圖3所示，需要進(jìn)行反面加工時(shí)(B=180°位置)，必須預(yù)先設(shè)置1～6點(diǎn)。具體走刀路徑為:刀具按定角從點(diǎn)1→點(diǎn)2→B角旋轉(zhuǎn)90°→點(diǎn)3→B角旋轉(zhuǎn)90°→點(diǎn)4→點(diǎn)5，開始此面加工。

在進(jìn)行此類工件編程時(shí)，還必須注意:在每條程序段后都應(yīng)編制擺角回零軌跡?；亓丬壽E按上述方式進(jìn)行逆向編制即可。這樣對(duì)于規(guī)范編程，特別是機(jī)床安全運(yùn)行是非常有益的。

2.3 機(jī)床仿真技術(shù)的應(yīng)用

在立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中，程序的正確性、多工位控制的可靠性、與機(jī)床的碰撞干涉檢查都非常關(guān)鍵，需要進(jìn)行有效的仿真來進(jìn)行校對(duì)和完善，避免在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)質(zhì)量事故和設(shè)備事故。對(duì)機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并建立機(jī)床仿真數(shù)學(xué)模型，以及定制仿真控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝、工件、機(jī)床、刀具之間的幾何仿真，避免了設(shè)備事故以及工件質(zhì)量問題。

3 利用擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)高效加工

3.1 BLUM刀具長(zhǎng)度及碰撞檢測(cè)技術(shù)提高加工過程控制

復(fù)雜接頭零件其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在數(shù)控加工中需要使用比較多的刀具類型才能完成所有部位的加工，所以必須對(duì)刀具與程序?qū)?yīng)的正確性進(jìn)行相關(guān)檢查。為提高刀具檢查的自動(dòng)化程度，應(yīng)用BLUM技術(shù)能夠高效解決該問題。BLUM激光刀具測(cè)量系統(tǒng)是一套精度極高的光學(xué)測(cè)量裝備，可在加工制造過程中監(jiān)控加工中心的刀具狀況以進(jìn)行自動(dòng)刀具測(cè)量與設(shè)定。該系統(tǒng)通過檢測(cè)刀具的幾何輪廓，自動(dòng)偵測(cè)刀具是否選用錯(cuò)誤以及預(yù)設(shè)刀具參數(shù)是否錯(cuò)誤，同時(shí)檢測(cè)刀具是否損壞或磨損。如此將可以避免因刀具問題造成的工件損傷或設(shè)備事故。

3.2 合理利用探頭提高生產(chǎn)效率

目前數(shù)控機(jī)加行業(yè)多采用杠桿表或觀察出屑量找正加工原點(diǎn)的方法，對(duì)于加工精度要求非常高的航空接頭零件，這種找正方法產(chǎn)生的誤差是無法滿足零件精度要求的，并且對(duì)于生產(chǎn)效率也有很大的影響。探頭技術(shù)的發(fā)展提供了有效的解決方案，同時(shí)利用探頭發(fā)展起來的在線測(cè)量技術(shù)極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

(1)探頭找正技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床上使用RENNISHAW探頭對(duì)工件定位基準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，可方便工件的安裝調(diào)整，簡(jiǎn)化工裝夾具，降低費(fèi)用，大大縮短機(jī)床輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)又可改善數(shù)控機(jī)床性能，延長(zhǎng)機(jī)床的精度保持時(shí)間。

(2)在線測(cè)量技術(shù)

利用Siemens控制系統(tǒng)的固有功能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)工件的在線檢測(cè)，節(jié)約了大量的工件多次拆卸、裝夾時(shí)間，并可很好地保證工序之間的工作狀態(tài)一致性。通過在線測(cè)量技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，工件精度更容易保證，輔助加工時(shí)間進(jìn)一步縮短。

(3)加工原點(diǎn)動(dòng)態(tài)偏移技術(shù)

在探頭獲得找正數(shù)據(jù)后，必須對(duì)程序原點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏移，尤其是針對(duì)多個(gè)工件具有多工位多個(gè)原點(diǎn)的情況。否則機(jī)床運(yùn)動(dòng)動(dòng)作將不會(huì)按照正確的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行，機(jī)床的靈活性和適用性將大大降低，機(jī)床應(yīng)用范圍必將受到影響。

3.3 多工位智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)批量生產(chǎn)

擁有典型的FMC應(yīng)用單元的機(jī)床，可增加多個(gè)可交換平臺(tái)之間的工作流暢性、原點(diǎn)數(shù)據(jù)切換有效性、程序調(diào)用的正確性、刀具的可靠性、系統(tǒng)的容錯(cuò)性等等都需要一個(gè)智能控制技術(shù)進(jìn)行支撐，為此需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，開發(fā)系統(tǒng)控制主程序，以保證加工過程中工位之間的銜接合理性和可靠性。

4 立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備加工實(shí)際效果

經(jīng)過對(duì)十字主接頭零件進(jìn)行的工藝方案修改，運(yùn)用立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備加工后，在諸多方面取得了顯著提高。

4.1 產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高

由于采用立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備，圖1零件經(jīng)過兩道數(shù)控工序、一次裝夾轉(zhuǎn)換完成所有部位加工到位，改變了以前需多次翻面，多臺(tái)機(jī)床轉(zhuǎn)換的情況，極大地減少了因多次找正造成的重復(fù)定位誤差，特別是在高精度交點(diǎn)孔的加工對(duì)比更為明顯，優(yōu)化前需要4道數(shù)控工序才能完成，現(xiàn)只需要1道數(shù)控工序，對(duì)于保證設(shè)計(jì)精度要求非常有利。工序簡(jiǎn)化的同時(shí)也減少了操作者的人為干預(yù)因素，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過程控制，并且產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量得到了提高。

表1 不同加工方案生產(chǎn)效率比較

4.2 生產(chǎn)效率顯著改善

現(xiàn)工藝方案僅對(duì)數(shù)控精加工工序進(jìn)行了調(diào)整(銑基準(zhǔn)工序與原工藝方案相同)，原方案需要8道工序才能完成的加工內(nèi)容，現(xiàn)通過立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行，僅需要2道工序，工件周轉(zhuǎn)周期得到極大的壓縮。當(dāng)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，利用機(jī)床的多工位智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)只需要首次裝夾工件的輔助時(shí)間，生產(chǎn)效率提高明顯，如表1所示。

5 結(jié)語

對(duì)于復(fù)雜接頭類零件，通過利用五坐標(biāo)立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控設(shè)備自動(dòng)化雙平臺(tái)交換、自動(dòng)化工件找正、智能化刀具長(zhǎng)度及破損檢測(cè)、探頭保護(hù)、以及可視化仿真過程等擴(kuò)展功能，能夠?qū)崿F(xiàn)該工件數(shù)控加工過程無人工干預(yù)的高效加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過應(yīng)用立臥轉(zhuǎn)換數(shù)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)件中復(fù)雜接頭類零件加工過程中的無人工干預(yù)，較之傳統(tǒng)加工工藝而言，大大提高了生產(chǎn)效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了航空接頭類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)。

［1］周奎，曾祥錄，陶華.工作臺(tái)回轉(zhuǎn)與刀軸擺動(dòng)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(12):95 －98.

［2］艾興.高速切削加工技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.